[논문]방열소재로의 응용을 위한 고분자 복합소재 내 이방성 필러 구조 제어 연구동향

민성배; 김채빈

doi:10.7234/composres.2022.35.6.431

방열소재로의 응용을 위한 고분자 복합소재 내 이방성 필러 구조 제어 연구동향
Manipulating Anisotropic Filler Structure in Polymer Composite for Heat Dissipating Materials: A Mini Review 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.6, 2022년, pp.431 - 438

민성배 (School of Chemical Engineering, Pusan National University) , 김채빈 (School of Chemical Engineering, Pusan National University)

초록
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전자 기기의 발달에 따라 발생하는 발열 문제를 해결하기 위해 높은 열전도도를 갖는 방열소재의 개발이 필요하다. 고분자 복합소재는 고분자의 장점과 열전도성 필러의 장점을 동시에 지녀 경량 방열소재로 각광받고 있다. 하지만, 산업적으로 요구되는 열전도도를 달성하기 위해서는 볼륨비로 60 이상의 고함량의 필러 충진이 요구되므로 최근에는 필러의 구조 제어를 통해 비교적 저함량의 필러 충진으로도 열 전달 경로를 최적화할 수 있는 연구들이 진행되고 있다. 본 리뷰에서는 고분자 복합소재 내 열전도성 이방성 필러의 구조를 제어해 비교적 적은 필러 함량으로 고열전도성 방열소재를 제작하는 다양한 전략을 소개하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Efficient heat dissipation in current electronics is crucial to ensure the best performance and lifespan of the devices along with the users' safety. Materials with high thermal conductivity are often used to dissipate the generated heat from the electronics to the surroundings. For this purpose, polymer composites have been attracted much attention as they possess advantages rooted from both polymer matrix and thermally conductive filler. In order to meet the thermal conductivity required by relevant industries, composites with high filler loadings (i.e., >60 vol%) have been fabricated. At such high filler loadings, however, composites lose benefits originated from the polymer matrix. To achieve high thermal conductivity at a relatively low filler loading, therefore, constructing the heat conduction pathway by controlling filler structure within the composites may represent a judicious strategy. To this end, this review introduces several recent approaches to manufacturing heat dissipating materials with high thermal conductivity by manipulating thermally conductive filler structures in polymer composites.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) Schematic describing preparation procedure of composites with randomly oriented h-BN (conventional method) and vertically aligned h-BN along the applied magnetic field. (b) Cross-sectional scanning electron micrographs of the composites with vertically aligned h-BN (top) and randomly oriented h-BN (bottom). (c) Thermal conductivity of composites with vertically aligned h-BN (VmhBN) and randomly oriented h-BN (RmhBN) as a function of filler loading. Secondary axis was given to highlight the thermal conductivity enhancement due to the filler orientation control. (a)-(c) Reproduced with permission from [22]. Copyright 2013, American Chemical Society. (d) Schematic describing the fabrication of CF/PDMS and OCF/PDMS composites. (e) Optical micrographs of OCF/PDMS with different filler contents. (f) Thermal conductivity of CF/PDMS and OCF/PDMS as a function of filler loading. (d)-(f) Reproduced with permission from [23]. Copyright 2021, Wiley-VCH
그림 Fig. 2. (a) Schematic depicting the orientation of GnPs induced by electric field. (b) Scanning electron micrographs of the composites with randomly oriented GnPs (top) and with aligned GnPs along the applied electric field (bottom). (c) Effects of the filler content and alignment of the GnPs on the thermal conductivity of the epoxy/GnP composites. Reproduced with permission from [25]. Copyright 2015, Elsevier
그림 Fig. 3. (a) Schematic describing the freeze-casting procedure. Reproduced with permission from [27]. Copyright 2020, Wiley-VCH. (b) Schematic describing preparation of 3D-BNNS aerogels by unidirectional freeze-casting method. (c) Cross-sectional scanning electron micrographs of the 3D-BNNS aerogel. (d) Thermal conductivity of the epoxy/3D-BNNS composites as a function of BNNS loading. (b)-(d) Reproduced with permission from [28]. Copyright 2015, Wiley-VCH. (e) Schematic illustrating the fabrication of epoxy/long-range ordered lamellar BNNS composites through bidirectional freeze-casting method. (f) Cross-sectional scanning electron micrographs of the composites with long-range ordered lamellar BNNS network. (g) Thermal conductivity of epoxy/long-range ordered lamellar BNNS composites as a function of the filler structure. (e)-(g) Reproduced with permission from [29]. Copyright 2019, Wiley-VCH
그림 Fig. 4. (a) Schematic describing the filler orientation control in composites using thermophoresis by applying temperature gradient. (b) Cross-sectional scanning electron micrographs for PETA/h-BN composites prepared by applying temperature gradients of 0 ºC, 20 ºC, and 50 ºC. (c) Normalized thermal conductivity as a function of the applied temperature gradient for the PETA/h-BN composites at various filler loadings. Normalization used values measured for each sample prepared without applying temperature gradient [31]
그림 Fig. 5. (a) Comparison plot for thermal conductivity of composites fabricated by various methods. (b) Comparison plot for thermal conductivity enhancement due to the filler orientation control for composites fabricated by various methods
표 Table 1. Thermal conductivity comparison of the composites prepared by various methods

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 열전도도를 향상시키기 위해 이방성 필러의 배향을 제어하거나 3차원 네트워크 구조를 형성하는 여러 공정 방법들에 대해 소개하고자 한다. 이렇게 필러의 구조를 제어해 제작한 복합소재들은 단순히 필러를 혼합하여 제작한 복합소재에 비해 높은 열전도도를 보이는 것으로 밝혀졌다.
하지만, 복합소재가공 중 필러의 구조를 제어하는 것은 필러에 작용하는 중력, 엔트로피 효과 등 구조 형성을 방해하는 요소를 모두 극복해야 하므로 매우 어렵다. 본 리뷰에서는 방열소재로의 응용을 위해 고분자 복합소재 내 필러의 구조를 제어하여 열전도도를 향상시키는 여러 방법을 소개하였다. 많은 방법들이 제안되었음에도 불구하고 여전히 실제 공정 상에 적용되기에는 어려운 부분들이 많아 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

제안 방법

본 연구실에서는 액상 단량체인 pentaerythritol triacrylate(PETA)와 h-BN을 혼합한 복합 유체에 온도 구배를 가해 열 영동을 유도하여 필러의 정렬 방향을 조절하였다(Fig. 4a).
Ma 등은 표면의 불활성이 커 산화철 나노 입자를 도입하기 어려운 탄소섬유(carbon fiber; CF)에 polydopamine(PDA)을 도입하여 산화철 나노 입자를 성공적으로 코팅해 자기장에 반응하는 CF (OCF)를 제작하였다. 이후, OCF를 poly(dimethylsiloxane) (PDMS)에 혼합한 뒤 자기장을 가하여 OCF의 정렬을 유도한 뒤 경화하여 필러 정렬이 제어된 복합소재를 제작하였다(Fig. 1d).
Lin 등은 산화철 나노 입자가 포함된 자성 유체와 hexagonal boron nitride (h-BN)를 혼합하여 산화철 나노 입자를 h-BN 표면에 도입해 자기장에 반응하는 h-BN을 제작하였다. 이후, h-BN을 epoxy에 혼합한 뒤 자기장을 가하여 h-BN 정렬을 유도한 후 경화하여 필러 정렬이 제어된 복합소재를 제작하였다(Fig. 1a).
4a). 이후, 광경화를 통해 필러의 정렬 방향이 고정된 고체의 PETA/h-BN 복합소재를 제작하였다. Fig.

성능/효과

Wu 등은 graphene nanoplatelet (GnP)을 epoxy에 분산한 뒤 교류 전기장을 가하여 GnP의 수직 정렬을 유도하였고, 이후 경화를 통해 복합소재를 제작하였다. 결과적으로, 전기장 하에서 GnP가 전기장의 방향에 평행하게 정렬된 것이 SEM을 통해 확인되었고, 이로 인해 전기장 인가 전 무작위하게 GnP가 분산되었을 때와 다르게 전기장 인가 후에는 열전도도가 약 5% 향상되었다(Fig. 2b,c)[25].
3e). 만들어진 복합소재는 BNNS가 무작위로 배열된 복합소재 그리고 앞선 연구처럼 BNNS가 한 방향으로만 정렬하여 벌집 모양의 구조체를 가진 복합소재보다 6배가량 더 높은 열전도도를 보였고 SEM으로 단면을 관찰한 결과, 이는 좀 더 넓은 범위에서 규칙성을 갖는 필러의 구조에서 기인함을 알 수 있었다(Fig. 3f,g)[29].

후속연구

본 리뷰에서는 방열소재로의 응용을 위해 고분자 복합소재 내 필러의 구조를 제어하여 열전도도를 향상시키는 여러 방법을 소개하였다. 많은 방법들이 제안되었음에도 불구하고 여전히 실제 공정 상에 적용되기에는 어려운 부분들이 많아 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이렇게 복합소재 내 필러의 구조를 제어하는 다양한 방법들은 열전도도 이외에도 전기전도도, 기체 투과도, 기계적 물성 그리고 전자파 차폐 특성과 같이 필러의 구조에 크게 영향을 받는 복합소재의 특성들을 제어하는데 널리 활용될 수 있어 잠재성이 풍부하다고 할 수 있다.
열영동 현상을 이용한 방법은 외부 자극을 가하는 방법이나 템플릿 기법에 비해 비교적 단순한 공정 단계를 갖지만 템플릿 기법으로 제작한 복합소재만큼의 높은 열전도도 향상은 보여주지 못하였다. 이에 실제 공정에 적용되기 위해서는 추가적인 연구를 통해 적절한 필러와 매트릭스의 선별과 공정 조건의 최적화가 필요할 것으로 사료된다.
또한, 실제 제조 공정 중 온도 구배만을 가해 필러의 배향을 변화시킬 수 있어 산업 현장에 적용이 가능할 것으로 보인다. 하지만, 열 영동은 유체의 점도, 필러의 크기, 매트릭스와 필러의 열전도도 등 다양한 요소에 의해 복잡하게 영향을 받으므로 향후 효과적인 열 전달 경로를 형성할 수 있는 공정 조건의 최적화가 필요할 것으로 보인다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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